Естественно-научные концепции развития
микроэлектронных и лазерных технологий
Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными
полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных,
газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и
хранения информации. Возникла она в начале ХХ века. На ее основе были созданы
электровакуумные приборы.
С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная
электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла
микроэлектроника - наиболее перспективное направление электроники, связанное с
созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием
групповой технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано
непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной
аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения
быстродействия и надежности.
Основу электронной базы микроэлектроники составляют
интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной
аппаратуры, в которых объединено большое число микроминиатюрных элементов и
электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом процессе.
Микроэлектроника развивается в направлении уменьшения размеров содержащихся в
интегральной схеме элементов (до 0,1-1,0 мкм), повышения степени интеграции,
плотности упаковки, а также использования различных по принципу действия
приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезисторных и др.) В
последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем,
размеры элементов которых определяются нанометрами, то есть постоянно набирает
силу наноэлектроника - наиболее важное направление микроэлектроники,
характеризующее современный этап развития естествознания.
Развитие твердотельной электроники.
Еще в ХIХ
веке выдающийся физик Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением
температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по
экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое
сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры.
Спустя некоторое время А.С.Беккерель обнаружил, что при освещении
"плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС
- вторая загадка.
Кроме того было обнаружено изменение сопротивления селеновых
стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность
второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами "плохих"
проводников.
В 1906 году физик К.Ф.Браун сделал важное открытие: переменный
ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более
того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного
напряжения. Это была 3-я физическая загадка.
В 1879 г. физик Холл открыл явление возникновения
электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле,
направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках.
Предполагалось, что направление данного
поля определяют электроны и какие-то положительно заряженные частицы. Открытие
Э.Холла - четвертая загадка "плохих"
проводников.
Созданная Максвеллом теория электромагнитного поля не
объясняла ни одну из четырех загадок.
В 1922 г. был создан генерирующий детектор, способный
усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое
острие-полупроводник.
В полупроводниковой электронике 4 загадки оставались неразгаданными
почти 100 лет.
Исследовательские работы существенно активизировались после
создания зонной теории полупроводников. В верхней зоне - проходимости -
находятся свободные заряды. Нижняя зона, в которой заряды связаны, валентная.
Между ними - запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле
электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если не велика,
то электроны могут возбуждаться и переходить из валентной зоны в более
высокоэнергетическую. На освободившихся от электронов местах образуются дырки,
которые эквивалентны носителям положительного заряда.
Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом
проводимости (п-тип), для кот. Эффект Холла отрицателен, и с
положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые
наз. донорными, вторые - акцепторными.
В результате многих экспериментов удалось изготовить образец,
включающий границу перехода между двумя типами проводимости. И удалось
разгадать все 4 загадки "плохих" проводников.
Истоки современной микроэлектронной технологии.
К 1955 году была налажена технология изготовления транзисторов
со сплавными и р-п-переходами. Потом появились разновидности сплавных
транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.
В конце 50-х годов была разработана технология создания
планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую структуру.
Особенность этой технологии - возможность создания множества приборов на одной
подложке. Такая технология открыла путь к групповой технологии производства
транзисторов и его автоматизации.
Развитие дискретной полупроводниковой техники, возможность
автоматизации производства привели к интеграции. В 1960 году был предложен
метод изготовления транзисторов в
тонком эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. Таким
способом удавалось на прочной толстой подложке создать транзисторы с тонкой
базой. Было предложено использовать транзисторы с тонкопленочными проводниками
в пределах одной пластины. Такие транзисторы получили название интегральных, а
кристаллы стали называть интегральными схемами.
Таким образом, наряду с дискретной твердотельной электроникой
появилась интегральная электроника основанная на тонкопленочной групповой
технологии.
Повышение степени интеграции и новые технологии.
Основная продукция микроэлектроники за последние десятилетия - разнообразные интегральные схемы.
Возможно 3 пути роста интеграции.
Первый связан с уменьшением топологического размера и
соостветственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Второй -
увеличение площади кристалла. Третий - оптимизация конструктивных приемов
компоновки элементов.
Характерные размеры элементов интегральных схем становятся
близкими к микрометру. Переход к еще меньшим размерам элементов требует нового
подхода. Пришлось отказаться от ряда технологических операций. Фотографию
заменили электронной, ионной и рентгеновской литографией.; диффузионные
процессы заменили ионной имплантацией и т.д. Появилась молекулярно-инженерная
технология, позволяющая строить приборы атом за атомом. Использование лучевых
методов совместно с вакуумной технологией позволяет получить приборы с
размерами до 10-25 нм.
Сфокусированные ионные потоки - инструмент, позволяющий
создавать принципиально новые конструкции приборов. Рентгеновские установки
позволяют реализовать тиражирование изображений с размерами микроэлементов,
недоступных световой оптике.
С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и
уменьшение размеров рисунка (ширина линий 0,5 мкм).
Сейчас основной материал полупроводниковых приборов - кремний.
Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду
галлия, фосфиду индия и т.д. Наноэлектроника позволяет создавать трехмерные -
многослойные структуры. Развивается новое направление электроники -
функциональная электроника. В первую очередь это оптоэлектроника.(размеры
структур до 100 нм - доли длин световых волн).
Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных
молекул в качестве элементов микросхем.
Развитие лазерных технологий.
Для физиков лазер дал жизнь нелинейной оптике, охватывающей
исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях
и газах и их взаимодействия с веществом.
Свойства лазерного излучения:
1.Лазерный луч распространяется, почти не расширяясь.
2.Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, то
есть он имеет одну длину волны, один цвет.
3.Лазер - самый мощный источник света.
В 1960 г. Мейманом был создан первый лазер - рубиновый,
работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки
преобразуется в лазерную вспышку, которая имеет огромную мощность.
Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в
1960г. Он работал на смеси газа и неона. Разреженный газ в лазерной трубке
очень мало рассеивает свет. Возбуждается газ электрическим разрядом, который
проходит через всю толщу, не затухая. Поэтому размеры трубки могут быть
внушительными. (5-10м).
Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный
двигатель.
Не только газовые лазеры дают непрерывное излучение. Его дает
и полупроводниковый лазер, вдохнувший жизнь в оптическую запись.
Широкое распространение получили лазеры на красителях. Их
рабочая жидкость - раствор анилиновых красителей.
На пути использования лазерного луча встали трудности - как
его передать. Возникла идея пустить луч по гибкой трубке с зеркальными
стенками. Его можно пустить и по стеклянному стержню. Стеклянные волокна можно
собирать в жгуты разной длины.
В последнее время успешно развивается волоконная оптика,
изучающая процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам
оптического диапазона. Свет начал применяться по настоящему только тогда, когда
была разработана волоконно-оптическая
- лазерная связь
Уникальная способность лазеров концентрировать световую
энергию в пространстве, времени и спектральном интервале может быть
использована при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с
веществом, при селекторном воздействии на атомы, ионы и молекулы. В этой связи
возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии,
такие как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная
химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная
связь, лазер в офтальмологии, лазерная хирургия и голография.
При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта
http://www.studentu.ru